Контролювати ядерну космічну рушійну систему — це надзвичайно відповідальне завдання. Щоб допомогти в розробці таких складних технологій, Ок-Ріджська національна лабораторія (ORNL) створила унікальний імітаційний реакторний стенд. Його мета – вдосконалити двигуни, які в майбутньому зможуть доправити астронавтів до Марса і навіть далі, відкриваючи нові горизонти для людства в дослідженні космосу.
Найбільшою перешкодою для глибинного освоєння Сонячної системи, як особисто людьми, так і за допомогою роїв високотехнологічних роботів, залишається відсутність ефективних засобів пересування між небесними тілами.
Історично склалося так, що виведення вантажів у космос і їхнє переміщення в межах Сонячної системи чи за її межі покладалося на хімічні ракети. Вони виконують свою роботу, і досить добре, але вже з моменту першого польоту німецької ракети V2 у 1944 році, ці двигуни працювали майже на межі своїх теоретичних можливостей. Відтоді, безперечно, було зроблено значний поступ, але він здебільшого стосувався оптимізації систем та зменшення ваги. V2, або Фау-2, була першою у світі балістичною ракетою, розробленою в нацистській Німеччині; її технології стали фундаментом для всієї подальшої ракетно-космічної галузі.
Саме тому навіть дуже обмежена пілотована місія на Марс є фактично абсолютною межею для хімічного ракетного двигуна. На практиці хімічні ракети потребують близько 16 тонн палива, щоб вивести одну тонну корисного навантаження на орбіту. Для досягнення Місяця взагалі потрібно 1000 тонн палива на кожну тонну корисного навантаження. Це пояснює, чому ракета “Аполлон Сатурн V” з космічним апаратом “Аполлон” мала розмір хмарочоса, коли стартувала із Землі, але командний модуль, що повертався, був не більшим за садовий сарай. “Аполлон Сатурн V” — це надпотужна ракета-носій NASA, яка доставила людей на Місяць в рамках програми “Аполлон”, що стала знаковим досягненням людства.
Для подорожей за межі околиць Землі, або для швидкого та економічного переміщення між Землею та Місяцем, потрібна технологія зі значно більшою тягою. І ця технологія — ядерний рушій.
https://www.youtube.com/watch?v=b18HtG0DOCM
По суті, ядерний ракетний двигун — це реактор, крізь який як паливо проходить водень. Він нагрівається до неймовірних 3000 K (2727 °C), що забезпечує майже вдвічі більшу ефективність з точки зору тяги та питомого імпульсу, ніж у хімічної ракети.
Однак існує дві основні проблеми з ядерними ракетами. По-перше, вироблена теплова енергія повинна ретельно контролюватися, щоб двигун просто не розплавився. По-друге, як керувати ракетою, якщо вона перебуває у компактному, високорадіоактивному корпусі в космосі, де жоден фахівець, навіть якщо він на борту корабля, не має до неї доступу. Додайте до цього, що ракета повинна мати можливість вмикатися, вимикатися та регулювати тягу, тому керування нею набагато складніше, ніж керування наземною електростанцією.
Ядерні двигуни: від ідеї до перших випробувань
Багато хто, можливо, не усвідомлює, але ядерні ракети перебувають у розробці вже понад 80 років — а якщо рахувати спекуляції після того, як Ейнштейн довів, скільки енергії міститься в крихітній дрібці матерії, то й довше. Фактично, лише невдовзі після детонації першої атомної бомби концепція ядерних двигунів стала серйозною темою для досліджень. Відтоді NASA реалізувало низку проєктів зі створення практичного ядерного двигуна, тож основи проєктування такого пристрою вже опрацьовані.
В основі конструкції ядерного двигуна NASA лежить циліндричний активний елемент, що містить паливні елементи з ураном-235. Він пронизаний численними каналами для протоку водню. Навколо цього активного елемента обгорнутий шар берилію, який відбиває нейтрони, що випромінюються активним елементом, спричиняючи ядерну реакцію. Всередині цього шару розташований ряд обертових барабанів. Одна сторона барабанів покрита берилієм, інша — бором. Поворот до берилієвої сторони відбиває нейтрони, тоді як поворот до борної сторони поглинає нейтрони, зупиняючи реактор. Частковий поворот барабана дає змогу регулювати реакцію до потрібного рівня.
Під час випробувань таких двигунів у 1960-х роках, як-от ракета NERVA від NASA, керування двигуном здійснювалося за допомогою заздалегідь запрограмованого сценарію — подібно до звичайної хлібопічки. Виконувалася послідовність за таймером, і налаштування реактора змінювалися відповідно до графіку. Програма NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) була спільним проєктом NASA та Комісії з атомної енергії США, спрямованим на створення ядерних ракетних двигунів для майбутніх космічних місій.
Новий підхід до керування: тестовий стенд ORNL
Такий підхід був прийнятним під час наземних випробувань у Джек-Асс-Флетс, штат Невада, але для практичного двигуна потрібна більш чутлива та складна система керування. Джек-Асс-Флетс — це частина Національного полігону Невади, де в 1960-х роках проводилися значні випробування ядерних ракетних двигунів, надаючи віддалене та контрольоване середовище для небезпечних експериментів.
Саме тут і вступає в роботу ORNL – Ок-Ріджська національна лабораторія, один із найбільших і найважливіших наукових центрів Міністерства енергетики США, відомий своїми дослідженнями в ядерній галузі. Завданням лабораторії є створення випробувального стенду, який включає шість контрольних барабанів по периферії муляжу реактора. Всередині цих барабанів розташовані резольвери, оптичні енкодери та вимірювачі крутного моменту для визначення їхнього руху. Тим часом двофазний потік води та повітря імітує рідкий водневий паливний компонент, що проходить крізь реактор, турбонасоси, керовані клапани, а також датчики потоку, тиску та температури.
Все це контролюється одноплатним комп’ютером NVIDIA Jetson, який розміщує брокер MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) для забезпечення зв’язку між апаратним забезпеченням і програмним забезпеченням, що емулює реальний реактор. NVIDIA Jetson — це лінійка компактних комп’ютерів, що поєднують потужні обчислювальні можливості з енергоефективністю, ідеально підходять для автономних систем. Причина використання муляжу реактора замість справжнього полягає не лише в безпеці, а й у можливості швидкої модифікації та тестування конструкції в міру виявлення потенційних проблем.
“Наш випробувальний стенд надає інженерам можливість випробувати автономні системи керування до їхніх меж у безпечному, повторюваному середовищі”, — зазначив Брендон Вілсон з ORNL. “Це означає, що ми можемо виявляти та усувати проблеми тут, на Землі, до того, як астронавти покладатимуться на ці системи за мільйони миль від дому”.
Результати цих досліджень були опубліковані в науковому журналі Energies.
